风扇摇头机构-机械设计制造及其自动化机械原理课程设计任务书.doc

xxx 师范学院 机械原理课程设计任务书 题题 目目 风扇摇头机构 院院 系 系 物理与电气工程系 专专 业业 机械设计制造及其自动化 学生姓名学生姓名 xx 学学 号号 xxxx 指导教师指导教师 xx 职职 称称 讲师 2016 年 6 月 30 日 1 目目 录录 目 录 1 1 设计任务 2 1 1 设计题目 2 1 2 设计目的及要求 2 2 系统运动方案设计 3 2 1 确定执行构件 3 2 2 选择原动机 3 2 3 执行机构的选择 3 2 4 传动系统的设计 4 2 5 系统运动方案的确定 6 2 6 运动循环图的绘制 8 3 运动分析 8 4 设计小结 9 参考文献 10 2 1 设计任务设计任务 设计电动玩具旋转木马机构 1 11 1 设计题目设计题目 电动玩具旋转木马机构 如图 1 所示为风扇位置固定的电风扇原理图 现要求对该风扇进行设计 使风扇 位置不固定而在一定范围内摆动 试设计具有这一运动的风扇摇头机构 电动机 图 1 机构示意图 1 21 2 设计设计目的及要求目的及要求 1 设计目的设计目的 电动玩具旋转木马作等速圆周运动 并同时做上下起伏运动 达到给孩子带来乐 趣的目的 2 设计要求设计要求 1 风扇摇头机构参数 直径为 300mm 电扇电动机转速 n 1450r min 电扇摇头 周期 T 10s 电扇摆动角度 仰俯角度 与急回系数 K 的设计要求及任务分配见表 1 表 1 电风扇摆头机构设计参数 电风扇摇摆转动电风扇仰视转动方案号 摆角 急回系数 K仰角 E1001 0322 2 电风扇摇头机构设计要求 1 按给定主要参数 拟定机械传动系统总体方案 2 画出机构运动方案简图 3 分配蜗轮蜗杆 齿轮传动比 4 解析法确定平面连杆机构的运动学尺寸 它应满足摆角 及行程速比系数 K 3 并对平面连杆机构进行运动分析 绘制运动线图 验算曲柄存在条件 2 系统运动方案设计系统运动方案设计 2 12 1 确定执行构件确定执行构件 根据风扇摇头机构所需要的功能 应选择相应的执行构件来实现相应的功能 如 表 2 所示为各个执行构件的运动分配 表 2 执行构件的运动分配 功能执行构件工艺动作 减速减速构件周向运动 执行摇头销动上下运滑 左右摆动连杆左右往复运动 俯仰撑杆上下运动 2 22 2 选择原动机选择原动机 根据电风扇摇头工作性能及使用条件可知 电风扇的执行构件在运动的过程中会 出现死点 即存在重叠现象 故不宜选用液压马达做为原动件 三相异步电动机和伺 服电动机均符合原动件要求 但是伺服电动机的价格昂贵 故一般不选用 综上所述 电风扇的电动机应选三相异步电动机 2 32 3 执行机构的选择执行机构的选择 1 减速机构的选用 图 2 蜗轮蜗杆减速机构 蜗轮蜗杆传动比大 结构紧凑 反行程具有自锁性 传动平稳 无噪声 因啮合 时线接触 且具有螺旋机构的特点 故其承载能力强 但是考虑到后面与离合机构的 配合关系 应选择蜗轮蜗杆减速机构如图 2 所示 2 离合器选用 大齿轮 小齿轮 滑销 图 3 离合器机构 4 它主要采用滑销上下运动 使得蜗轮脱离蜗杆从而实现是否摇头的运动 如图 5 所示 3 摇头机构选用 电动机 蜗杆 转轴 图 4 平面四杆摇头机构 如图 4 所示 此机构应用在传动比大的运动机构中 由已知条件和运动要求进行 四连杆机构的尺寸综合 计算电动机功率 连杆机构设计等 绘出机械系统运动方案 电机装在摇杆 1 上 铰链B处装有一个蜗轮 电机转动时 电机轴上的蜗杆带动蜗轮 蜗轮与小齿轮空套在同一根轴上 再由小齿轮带动大齿轮 而大齿轮固定在连杆 2 上 从 而迫使连杆 2 绕B点作整周转动 使连架杆 1 和 3 作往复摆动 达到风扇摇头的目的 2 42 4 传动系统的设计传动系统的设计 电风扇摇头机构传动系统具有减速及动力传动作用 因此传动系统可由减速器传动 机构 变换运动形式传动机构等多个机构组成 传动系统实现减速的装置称为减速器 电动机转速 1450 minrr 摇头周期 10Ts 1 总传动比为 12 2 60725 2 3 r i T 总 2 传动比分配 减速机构采用二级转速 第一级采用单级齿轮减速 齿轮传动比为 48 13 第二级 采用涡轮蜗杆传动 传动比为 65 表 3 齿轮参数分部 参数 名称 齿数模数 mm压力角 涡轮65120 蜗杆1120 齿轮 113120 齿轮 248120 小齿轮 5 3 双摇杆机构的设计 各杆长度满足杆长条件 即最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和 且以最短杆的对边为机架 即可得到双摇杆机构 根据低副运动的可逆性原则 由于此 时最短杆是双整转副件 所以 连杆与两摇杆之间的转动副仍为整转副 因此摇杆的两 极限位置分别位于连杆 最短杆 与另一摇杆的两次共线位置 即一次为连杆与摇杆重 叠共线 如图 5 所示 另一次为连杆与摇杆的拉直共线 即图 5 所示 AB C D ABCD 摇杆的两极限位置与曲柄摇杆机构中摇杆的极限位置的确定方法相同 很容易找到 各杆长度不满足杆长条件 即最短杆与最长杆长度之和大于其它两杆长度之和 则 无论哪个构件为机架机构均为双摇杆机构 此时 机构中没有整转副存在 即两摇杆与 连架杆及连杆之间的相对转动角度都小于 0 360 图 5 两极限位置的确定 4 四杆位置和尺寸确定 图 6 极位角夹角为 0 的两极限位置 表 4 电风扇摆头机构设计参数 电扇摇摆转动电扇仰视转动方案号 摆角 急回系数 K仰角 E1001 0322 由表 4 可知 极位夹角为 可忽略 如上图 5 所示 180 1 12 6KK BC 杆共线 先取摇杆长为 确定的位置 然后让摇杆逆时针旋转CD AB L70mmABAB 100 即 再确定机架的位置 且取 注 只能在摇杆 A B AD AD L90mmADAB 的同侧 当杆处在左极限时 共线 与之和可以得出 A B ABBCCD BC L CD L 6 即 当处在右极限时 即图 6 中的位置 此时 重 BC L CD L131mmABA B BCCD 叠 即 25 C DB C LLmm 由 式可得为 为 B 点的运动轨迹为圆弧 BC L53mm CD L78mmBB BC L 满足格拉肖夫判别式 且取最短杆 BC 的对边 AD 为机 AD L143mm CD L AB L148mm 架 符合第一类平面双摇杆机构 即可得 AB L70mm BC L53mm CD L78mm AD L 90mm 5 减速器机构与离合器机构的选用 图 7 离合器机构与减速器机构的组合 电动机传过来的动力 由于功率大 转轴运转速度快 在两对齿轮的减速下传给 摇头机构 离合器的选用是为了在不想风扇摇头时 扇头的摆动能够停止 所以当拉 杆被提起时 两个齿轮被提起 与轴上的轮齿分开 电动机的动力就传不到摇头机构 处如图 7 所示 6 摇头机构的选用 图 8 摇头机构 经减速齿轮传的动力 传递给轴上的半圆滚轮 半圆滚轮在弧形轨道内周期性的 运动 实现了扇头的左右摆动 2 52 5 系统运动方案的确定系统运动方案的确定 方案一 如图 9 所示的方案中 它最大的特点是它只采用一对锥齿轮 机构就实现了改变 和减速作用 采用锥齿轮机构可以使扇头结构紧凑 有确定的传动比等优点 其次 采用滑销离合器实现是否摇头控制 结构比较简单 使用方便 经济又实惠 还有制 7 作起来也比较的简单 同时 采用双摇杆机构实现扇头的左右摆动 可以实现较大范 围的转动 制作起来经济且精度要求不是很高便于制造 缺点 不能实现自动上下俯仰运动 图 9 左右摇摆运动机构 方案二 仰俯运动机构 如图 10 异步电动机带动曲柄旋转 曲柄拉动风扇电机座所在的摇 杆做上下 15 的仰俯运动 为了使异步电机能够轻松地带动风扇的机头做上下仰俯运 动 减小电动机磨损和能量的消耗 在设计时应使风扇机头的重心落在摇杆与机架相 连的铰链处 同时使用胶状固体润滑剂 减小噪音 减小零件磨损 延长零件使用寿 命 在使用过程中 通过开关控制同步电机的运动即可实现打开或关闭仰俯运动 左右摇头机构 风扇主电动机的轴后部是蜗杆 通过蜗杆带动偏心轮运转 从而 拉动摇杆 实现电风扇的左右摇头运动 图 10 仰俯运动机构 综上所述 方案二实现了电风扇的自动左右摆头和上下摆头的要求 同时电风扇 的结构简单 制造方便 运行可靠 故选此方案 8 2 62 6 运动循环图的绘制运动循环图的绘制 用横坐标表示连杆绕 B 点做整周转动的角度 纵坐标表示电风扇摆角的大小 如 图 11 所示 随着主轴的旋转 带动平面四杆摇头机构的摆动 而连杆绕 B 点旋转的角 度从 0 到 360 做周期性的圆周运动 使得摇杆摆角从 0 到 100 的周期性变化 这样就使得风扇执行了左右摇头的功能 图 11 运动循环图 3 运动分析运动分析 1 自由度分析自由度分析 风扇摇头机构中构件数和运动副参数 n 7 9 2 L P H P F 3n 2 L P H P 3 7 2 9 2 1 故对自由度的计算可以得出 机构具有确定运动所需的原动件数为 1 2 急回特性分析急回特性分析 风扇摇头机构的行程速比系数K 1 03 故极位夹角为 11 03 1 1802 7 11 03 1 K K 由于极位夹角很小 所以摇头机构的急回特性不是很显著 所以在摇头的过程中 主要以匀速周期性转动为主 而根据极位夹角我们可以设计出铰链四杆机构各杆端点 所在的位置和各杆的尺寸参数 具体过程见传动系统的设计 3 死点分析死点分析 此四杆机构为双摇杆机构 且以最短边的对边为机架 最短与最长两边之和小于 两连架杆 故机构中存在死点 死点存在于机构运动到两极限位置时的最左端 即AB 9 杆逆时针旋转了 100 BC连杆和CD从动件共线 在极限位置的最右端 即 AB 顺时 针旋转了 100 使得BC与CD杆重叠 综上所述为死点存在的位置 见图 5 所示 4 速度分析速度分析 设计要求电风扇的摇头装置周期为 T 10s 推出杆 AB 的角速度可以算得 100 10 10 AB s Ts 因为电动机带动蜗轮的速度是恒定值 所以杆 BC 的角速度也是恒定的为 36 0 628 BC srad s T 根据公式得出杆 BC 的顶点 C 转速 CBCBC VL 53 0 628 33 28 CBCBC VLmm smm s 5 加速度分析加速度分析 因为电动机的转速是恒定的输出 故蜗轮的转速也是恒定的 所以杆BC的角加速 度为 2 0 bc arad s 杆BC的顶点C的切向加速度 2 0 tc arad s C点的法向加速度 根据公式得 2 nc AB v a L 22 33 28 53 c nc AB v a L 20 9mmmm 2 s 6 仰俯运动原理仰俯运动原理分析分析 经过电动机的运转 所有动力都来源于电动机 再经过蜗轮蜗杆齿轮机构的传动 实现减速将动力传动给摇头机构 由双摇杆机构实现左右摇头运动 滑销离合器实现 风扇摇头的控制 当滑销下滑实现摇头 上提则停止摇头 外置手调俯仰角按钮置于 风扇立柱与扇头相接处 顺时针转动调节为增大仰角 逆时针旋转为增大俯角 4 设计小结设计小结 1 课程设计的收获课程设计的收获 通过这次课程设计 让我对机械原理这门课程有了更深入的了解 对以前不熟悉 的环节更加理解了 虽然在设计的过程中遇到了好多麻烦 但是经过自己认真的思考 和查阅资料 以及和同学老师一起讨论最终把问题都解决了 这次设计给我一个感受 学习的过程中要懂得把所学的东西联系起来并运用到实践中来 而不是把每个章节分 开来理解 通过这个实践我学得了好多 同时认识到理论联系实际的重要性 不仅加 10 深了我对课程的理解程度而且也激起了我学习的兴趣 机械原理课程设计是使我们较 全面系统的掌握和深化机械原理课程的基本原理和方法 是培养我们机械运动方案设 计创新设计和应用计算机对工程实际中各种机构进行分析和设计能力的一门课程 经过这几天的设计 让我初步了解了机械设计的全过程 可以初步的进行机构选 型组合和确定运动方案 使我将机械原理课程各章的理论和方法融会贯通起来 进一 步巩固和加深了所学的理论知识 并对动力分析与设计有了一个较完整的概念 提高 了运算绘图遗迹运用计算机和技术资料的能力 培养了我们学生综合运用所学知识 理论联系实际 独立思考与分析问题的能力和创新能力 机械原理课程设计结合一种简单机器进行机器功能分析 工艺动作确定 执行机 构选择 机械运动方案评定 机构尺寸综合 机械运动方案设计等 使我们学生通过 一台机器完整的运动方案设计过程 进一步巩固 掌握并初步运用机械原理的知识和 理论 对分析 运算 绘图 文字表达及技术资料查询等诸方面的独立工作能力进行 初步的训练 培养理论与实际相结合 应用计算机完成机构分析和设计的能力 更为 重要的是培养开发和创新能力 机械原理课程设计在机械类学生的知识体系训练中 具有不可替代的重要作用 2 存在问题存在问题 通过这次设计 让我认识到自己掌握的知识还很缺乏 自己综合应用所学的专业 知识能力是如此的不足 在以后的学习中要加以改进 同时也充分认识到理论和实际 的差别 只有理论联系实际 才能更好的提高自己的综合能力 以后在学习中要多注 意这次设计中所遇到的问题 并及时的改正